【正文】 分類號(hào) 密級(jí) UDC 學(xué) 位 論 文 電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā) 作 者 姓 名 王軍延 指導(dǎo)導(dǎo)師姓名 柴天佑 院士 東北大學(xué)自動(dòng)化研究中心 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩 士 學(xué) 科 類 別 工 學(xué) 學(xué)科專業(yè)名稱 控制理論與控制工程 論文提交日期 2022 年 2 月 論文答辯日期 學(xué)位授予日期 答辯委員會(huì)主席 評(píng)閱人 東 北 大 學(xué) 2022 年 2 月 A Dissertation in Control Theory and Control Engineering Research and Development Hardware System of EMF Signal Converter by Wang Junyan Supervisor： Professor Chai Tianyou Northeastern University February 2022 178。 I 178。 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取 得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng) 發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。 （如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?；否則視為不同意。） 學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 簽字日期： 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 178。 II 178。 電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā) 摘 要 流量是生產(chǎn)過(guò)程中需要檢測(cè)和控制的重要物理量之一，電磁流量計(jì)是檢測(cè)流量特別是固液雙相流體流量的重要儀表。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)的電磁流量計(jì)的市場(chǎng)需求增加很快，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本被國(guó)外著名品牌的儀表廠商所壟斷，而且采用專用芯片加密等手段進(jìn)行技術(shù)封鎖。針對(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁流量計(jì)產(chǎn)品的研發(fā)工作，以實(shí)現(xiàn)固液兩 相如礦漿、紙漿等難測(cè)量流體的高精度、低成本的在線測(cè)量。主要工作如下： 1． 對(duì)電磁流量計(jì)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了全面系統(tǒng)的綜述，分析了目前勵(lì)磁技術(shù)的原理，確立了以交流勵(lì)磁作為電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式，并結(jié)合目前先進(jìn)的芯片技術(shù)，進(jìn)行了電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，提出了以專用芯片、微處理器、模擬信號(hào)處理器為架構(gòu)的電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的低成本方案； 2． 分析電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件實(shí)現(xiàn)所需功能，提出了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了模擬信號(hào)處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、微處理器控制模塊、專用芯片、輸入輸出模塊、顯示模塊接口、電源模塊 以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等七部分功能模塊。 3． 提出了以專用芯片為核心，實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性復(fù)雜邏輯處理的同時(shí)，起到加密的作用。并與模擬信號(hào)處理器、微處理器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了抑制交流勵(lì)磁傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的正交干擾。芯片設(shè)計(jì)采用基于 VHDL語(yǔ)言的二進(jìn)程結(jié)構(gòu)描述復(fù)雜邏輯事件方法，繼承性擴(kuò)展性強(qiáng)，更著眼于功能完善之后的批量低成本 ASIC。 4． 采用傳統(tǒng)差動(dòng)運(yùn)算放大器和可編程放大結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)毫伏級(jí)信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及同相干擾的克服，擴(kuò)大了對(duì)流電阻率的限制。 5． 基于上述設(shè)計(jì)，完成了電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、調(diào)試，科研樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試 。硬件系統(tǒng)的運(yùn)行取得了預(yù)期的效果，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)裝置上的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，證明其對(duì)于含固體顆粒流體的測(cè)量具有良好的應(yīng)用效果，相對(duì)誤差小于 1%，同時(shí)還具備較快的系統(tǒng)響應(yīng)速度，部分性能指標(biāo)優(yōu)于目前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品。 關(guān)鍵詞： 電磁流量計(jì)，交流勵(lì)磁，微處理器，專用芯片， 90176。 干擾 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 ABSTRACT 178。 III 178。 Research and Development Hardware System for EMF Signal Converter Abstract The electromagic flow meter (EMF) is an effective instrument in measuring flows, which is one of the most important process variables for measurement and control in industries. With rapid development of the state economy， the demand for EMF has been growing rapidly in recent years. But foreign manufacturers in the measurement field have occupied domestic market。 what is more, the technology of their products is strictly confidential. With the background of all the above, an EMF with technique intellectual property right of China was developed, and it could handle the very important problem of measuring the solidliquid flows on line, such as pulp and paper, at the same time with low cost and high precision. The main works in the thesis are as follows: 1. The development of EMF in the world was summarized. After studying the excitation technique at present. Using the latest chip technique the thesis provided a whole low cost system of EMF signal converter with AC excitation, which was posed of special purpose chip, microprocessor, analog and digital circuit. 2. A hardware structure was provided after analyzing the performance of the hardware system. And seven function modules were designed, including analog signal processor, the interface between analog and digital, microprocessor control module, special purpose chip, input and output module, the interface of display module, power module and system structure design etc. 3. The system was designed with a special kernel handling plex logic with real time performance, and was encrypted. At the same time, bined with the analog signal process circuit and microprocessor, the system succeeds in filtering the AC noise under plex electromagism conditions. The system was designed based on Two Process structure of VHDL language. It has good inheriting, high expansibility, and it would make ASIC with low cost after more functions perfected. 4. The thesis implemented the conversion of signal in millivoltage and elimination of inphase noise bining traditional amplifier with programmable amplifier. At the same time, the limitation in conductance of 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 ABSTRACT 178。 IV 178。 liquid is released. 5. An EMF signal converter is successfully developed for the sample, and passed not only the simulation test but also the real flow calibration . Compared with other EMF, it did well in measuring the impurity liquid with below 2% relative error and rapid response. It is much better than other EMF on the market with some performance specifications. Key words： electromagic flow meter, AC excitation, ASIC, MCU, cross –interference， 90176。 disturbance 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 引言 178。 V 178。 目 錄 獨(dú)創(chuàng)性聲明 ........................................................................................... I 摘 要 ................................................................................................... II ABSTRACT .........................................................................................III 目 錄 ..................................................................................................... V 第 1 章 引 言 .....................................................................................1 研究背景 ..........................................................